近日，台湾积体电路制造股份有限公司（TSMC）的研究团队发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出全球首个基于IC工艺的宽带光引擎（Broadband Optical Engine, BOE）集成技术。这种革命性的技术突破，利用电子-光子芯片化（EPIC-BOE）技术，打破了传统光学引擎的性能瓶颈，实现了从光纤到系统的全面优化集成。该工作以“EPIC-BOE: An Electronic-Photonic Chiplet Integration Technology with IC Processes for Broadband Optical Engine Applications”为题，发表在2024年12月美国旧金山举办的《IEDM》会议上。
技术亮点：宽带、高效、可扩展的下一代光引擎
1. 宽带性能
EPIC-BOE技术实现了1260 nm到1360 nm的宽带覆盖，其光纤耦合损耗低至0.08 dB（TE模式）和0.05 dB（TM模式），性能远超传统光耦合技术。通过创新的硅氮化物（SiN）波导设计，该系统在高功率注入条件下依然保持稳定。
2. 多行光纤耦合技术
相较于传统的边缘耦合（Edge Coupler, EC），EPIC-BOE采用垂直耦合设计，可支持高达每行80根光纤的耦合，且具备四行光纤的扩展能力，大幅提升了光纤耦合的密度和可扩展性。
3. 高功率处理与低损耗
传统硅波导在高功率下容易烧毁，而EPIC-BOE系统通过使用SiN波导材料，成功应对高功率输入，支持超过300 mW的功率输入三小时无性能劣化。此外，波导弯曲损耗低至<0.001 dB，传输损耗低于0.01 dB/cm。
4. 高集成度与可维护性
研究团队通过IC工艺，将硅微透镜嵌入光纤阵列单元（iFAU），实现了具有场维护能力的耦合系统。重复更换后系统耦合损耗仅增加1.8 dB，展现了卓越的可维护性。
技术背后的创新：IC工艺的全面应用
EPIC-BOE的核心在于全面利用了TSMC的3DFabric™工艺平台，实现从芯片到光纤的全栈工艺整合。这种方法不仅提升了系统的制造一致性与良率，还显著降低了生产成本，使高性能宽带光引擎的大规模量产成为可能。
通过优化的IC工艺流程，该团队在关键组件90度光束偏转器的制造中，达到了97%的良率。这种高效的生产流程，为未来大规模商业化铺平了道路。
应用前景：为人工智能和高性能计算提供新引擎
随着人工智能和高性能计算（GAI）系统对能效比和带宽密度的需求不断提高，EPIC-BOE技术以其高性能和高可扩展性，成为未来计算架构的重要支撑。其低延迟、低能耗的特点，将在数据中心、光通信及人工智能加速器等领域发挥重要作用。
研究团队表示，EPIC-BOE技术的诞生，标志着光子芯片迈入全新纪元。这一突破性的成果，不仅为光学和电子领域的融合指明了方向，也为未来超大规模集成电路（VLSI）技术的进一步发展提供了全新思路。
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